5.5 Теоретическая и техническая прочность
Прочность – это свойство твердых тел сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под воздействием внешних сил. Поэтому увеличению прочности придают первостепенное значение, стремясь одновременно обеспечить и достаточную пластичность.
Теоретическая прочность металлов выражается формулой:
,
(3)
где: G – модуль сдвига, представляющий собой коэффициент пропорциональности между касательным напряжением г и относительным сдвигом . Числовые значения модуля сдвига следующие: для железа – 77000 МПа, для меди – 44 000 МПа, для алюминия 27000 МПа.
Техническая
прочность металлов, определяемая
значениями механических
свойств
,
,
значительно
меньше теоретической.
Фактическая прочность уменьшается главным образом вследствие наличия в металле несовершенств.
Повысить прочность металла – значит продлить жизнь машин, оборудования, уменьшить их массу, улучшить надежность, повысить долговечность, экономичность и снизить металлоемкость.
На рисунке 5.10. приведены методы, используемые в практике для повышения прочности металлов и сплавов.
Все современные методы упрочнения металлов направлены на создание условий торможения дислокации за счет увеличении их плотности, взаимодействии дислокаций с атомами легирующих элементов, измельчения блоков, образования дисперсных частиц карбидов, нитридов и т.п. К наиболее прогрессивным методам упрочнения относят легирование, термическую и термомеханихескую обработки, деформационное упрочнение и др.
Прочность металлов может быть повышена за счет создания бездефектных структур. Например, почти бездислокационные нитевидные кристаллы (усы) железа имеют прочность = 13000 МПа а техническое железо только 300 МПа. Вторым фактором повышения прочности металлов является увеличение количества (повышение плотности) различных дефектов, в том числе и дислокаций. Прочность металлов с ростом числа дислокаций сначала уменьшается, а затем возрастает. Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокации (см) на единицу объема (см 3). Плотность дислокаций выражается в см -2. Оптимальной считается плотность дислокаций, равная 10 ...108 см-2 , присущая отожженным металлам. Критической считается плотность 1012...1013 см, превышение которой приводит к образованию трещин в металле.
Рассмотрим два случая влияния легирования на прочность металлов. Первый – когда в результате взаимодействия легирующего элемента с основным металлом образуется твердый раствор на базе решетки основного металла. Второй – когда легирование приводит к образованию новой, более прочной фазы. Предпочтительнее, когда эта фаза выделяется в виде сетки по границам зерен или в виде скелетообразного каркаса. Примером такого рода упрочнения может служить изменение прочности железа под влиянием углерода. По мере увеличения содержания углерода в железе прочностные свойства возрастают за счет изменения фазового состава.
Возможность применения упрочняющей термической обработки определяется в основном типом диаграмм состояния и зависит от растворимости легирующих элементов в металле-основе, а также аллотропических превращений в металлах. Существует много способов упрочнения за счет термической обработки, которые отличаются друг от друга температурой нагрева и условиями охлаждения. В качестве примера можно привести результаты термической обработки углеродистой стали с твердостью НВ 150...200. После термической обработки (закалки) ее твердость увеличивается в 2,5...3 раза. Химико-термическая обработка является одним из методов поверхностного упрочнения стали. При этом изменяется химический состав, строение и свойства поверхностного слоя металла. В результате такой обработки повышаются твердость, предел выносливости, износостойкость, контактная прочность, сопротивление кавитационной эрозии, коррозионная стойкость и др. Например, известно, что многие детали машин и механизмов (зубчатые колеса, валы, поршневые пальцы, червяки, ролики подшипников и др.) работают в условиях износа и ударных нагрузок. Для таких деталей требуются твердая износостойкая поверхность и сравнительно мягкая сердцевина.
Упрочнение пластической деформацией (обкатка роликами, обдувка дробью и др.) используют главным образом в тех случаях, когда сплавы по каким-либо причинам не могут быть упрочнены термической обработкой.
Высокую прочность при достаточной пластичности можно получить при термомеханической обработке, которая заключается в том, что в едином технологическом процессе сочетаются деформация и закалка. В ряде случаев при этом наряду с повышением временного сопротивления при растяжении значительно увеличивается предел текучести (в 1,5...2 раза).
Для упрочнения сплавов в последнее время используют такие методы, как ультразвуковая обработка, магнитная обработка, облучение частицами высокой энергии, лазерная обработка, высокие давления и т.д.
Одним из путей повышения прочности является получение композиционных и многослойных материалов, а также получение материалов методами порошковой металлургии.
По прогнозам материаловедов в ближайшие годы будут созданы специальные сплавы и стали с пределами прочности 3500...6000 МПа, а легкие сплавы – 1000 – 1500 МПа, что значительно приблизит их техническую прочность к теоретической.